基于UGNX 共享自行車設計與動畫裝配

魏軼凡 常天藝 王 程

（江蘇大學京江學院 江蘇 鎮江212000）

為應對全球氣候變化和環境污染帶來的挑戰，實現我國經濟的可持續發展，2020 年中國首次向全球宣布，二氧化碳排放要力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取在2060 年前實現碳中和[1]。同時中國快速的城鎮化進程中，交通擁堵、空氣污染、環境破壞等“城市病”引起了人們的廣泛關注。在此背景下，健康城市、生態城市等城市發展理念逐漸興起，為減少由于機動車出行而導致的能源消耗和環境污染問題，公共自行車逐漸進入公眾視野，備受關注，成為一種重要的低碳出行交通方式。2016 年以來，共享單車迅猛發展，對城市居民出行產生了重大影響，為城市交通發展帶來了新的契機[2]。

1 自行車設計

本文基于工程上廣泛使用的計算機輔助設計軟件UG（UnigraphicsNX），在保證自行車功能的前提下，設計有較少零件的自行車，以方便批量生產且節省材料、降低成本、組裝便捷、減輕裝配勞動強度。另外還可以演示自行車模型的內部結構及工作原理，用于教學。

1.1 車架設計

車架是自行車的主體，其它零件直接或間接地被安裝在車架上。本設計車架由鐵鋁合金材料制成，性價比高，框架采用近似三角靜定結構，結實耐用。

1.1.1 主框架草圖繪制：打開UGNX 軟件，選擇建模環境，在xz 平面根據設計尺寸畫出主框架草圖。點擊創建基準平面按鍵，創建基準平面（垂直于直線），作圓Φ50（本設計繪圖單位均為毫米mm）。同法創建基準平面及草圖，作大徑60 小徑50 的橢圓。然后在垂直最右端的直線上（車架尾部）創建基準平面作圓Φ50，再垂直于直線作圓Φ35，最后在垂直線軌跡的位置作圓Φ30。

1.1.2 草圖掃略拉伸前主框架：選擇此前三次所作圓，沿直線掃掠（插入-掃掠-沿引導線掃掠）。設置第一偏置為5，向內偏移。選擇草圖上的圓，沿直線掃掠，第一偏置為-5，向內偏移，布爾運算求和成為整體。繼續選擇xz 平面，在距y 軸198.8，x 軸79.0 的位置創建草圖，對稱拉伸35，倒R10 圓角（插入-細節特征-倒圓角）。

在圓柱頂端作圓Φ40 進行拉伸求差處理，使圓柱貫通形成框管。xz 平面作圓Φ60 和Φ40 雙向拉伸50 與圓柱作布爾求和。

1.1.3 車架后支架：后支架承重為分叉對稱設計，xz 平面繪制橫向框管與內圓截面切。繪制豎立橢圓，大徑R15，小徑R10，掃掠形成實體。xz 平面拉伸后座支架另一條邊形成靜定三角結構，尺寸為對稱拉伸200。點擊插入-來自體的曲線-求交，第一組面選擇剛剛的片體，第二組面選擇圓柱外表面，得到相交曲線圓。利用相交曲線，在片體上創建繪制后支架曲線。選擇上一步草圖曲線，以類型為在曲線上創建基準面，弧長0%。在其上繪制圓Φ16，并沿創建的曲線掃掠得到實體。

繪制坐墊桿草圖圓Φ40 并求差拉伸至貫通，再設計后輪軸座平面輪廓草圖并拉伸，開始值0，結束值35，與車架管體布爾求和。開孔軸圓Φ16，求差拉伸至貫通，后倒圓角R3。最后使用鏡像命令（插入-關聯復制-抽取幾何體-鏡像）鏡像掃掠所得實體，鏡像平面為xz 平面，完成車架。

圖1 自行車車架

1.2 握把及坐墊設計

1.2.1 握把：自行車握把用來保持平衡與控制行駛方向，主要分為平把、上翹把、下垂把。本設計采用平把，結構簡單便于操控。

xy 平面原點繪制圓Φ17 和Φ25，完成草圖后點擊拉伸命令，限制選項結束選項為528。xz 平面利用回轉命令，將草圖回轉成柱體和一個凸緣。將凸緣陣列，選擇線性陣列節距6.2，數量15 個，形成握把紋路。xy 平面創建并繪制草圖，并將其雙向拉伸17.5。將握把與上步實體做求差處理，得到圓孔和剎車把裝配孔。在剎車握把實體背面作草圖做拉伸求差處理，后將剎車握把的實體邊倒圓R5。

在剎車把前端雙向拉伸求差3，xy 平面繪制剎車連接件輪廓雙向拉伸2.5，并與剎車把求和。然后進行倒圓處理。最后以xz 平面鏡像完成車把手創建。

1.2.2 坐墊：在離xy 平面下方20 的平面創建基準平面并繪制坐墊輪廓。xz 平面繪制中間曲線，用拉伸命令草圖曲線拉伸成片體，數值設為對稱值100。選用投影曲線命令，將俯視草圖投影到上步拉伸而成的片體上，矢量方向豎直向。

在距yz 平面15 處平面描點，用藝術樣條將其連起來，后用鏡像使其沿z 軸對稱。同法在距離yz 平面83 的平面繪制曲線并沿z 軸鏡像。在距yz 平面145.5 處平面通過描點、樣條連接點，鏡像繪制坐墊下部輪廓。將上部草圖曲線對稱拉伸5 形成片體。選擇通過曲線網格，主曲線為中間曲線，交叉曲線為豎著的3 個曲線，注意箭頭方向要相同。后沿xz 平面鏡像，將鏡像實體縫合成一個實體。xy 平面繪制圓Φ30 和Φ40，后將草圖拉伸為一個空心管，開始距離-49，結束距離310，完成坐墊設計。

1.3 運動系統設計

1.3.1 前叉：xz 平面繪制前叉架草圖雙向拉伸16。在離xy 平面39 處繪制圓Φ17 拉伸開始值-10，結束值18。在實體的側壁繪制圓Φ12 拉伸求差，使其形成孔。最后將實體各邊倒R2 圓角，完成前叉設計。

1.3.2 車輪：xz 平面繪制圓Φ20，Φ40 和Φ520。將Φ20 進行雙向20 拉伸。Φ40 拉伸開始距離20，結束距離25，并且與Φ20 拉伸而成的實體求和。后再次將Φ20 拉伸，開始距離20，結束距離40，并與上步實體求和。xz 平面繪制Φ20.2 的半圓弧。將上步草圖沿著Φ520 回轉，形成車輪外輪廓。yz 平面繪制輪輻線草圖，用管道（插入-掃掠-管道）命令形成輪輻。在管道創建的實體上繪制圓Φ5.7。拉伸開始距離-2，結束距離0。用圓形陣列在圓形實體上均布12 個，將管道進行圓形陣列，得到12 個均布的車輪輻條。最后將左邊輻條多次鏡像到右面，從而得到完整24 根輻條。

雪螢從窗臺上摸出鑰匙開了門，直奔臥室，趴在地上，拉出床下一雙統靴，伸手一摸，沒有。于是把手伸進另一只鞋子。里面果然有一個油膩膩的小本子，還有一個U盤，用一塊布包著。她把證據捂在胸前，長長地出了一口氣，忍不住翻開來，快速地掃了一眼，心都快跳出來了。

1.3.3 腳踏板：xz 平面繪制圓Φ40 雙向拉伸75，得到一個實體圓柱。yz 平面繪制腳踏板俯視圖草圖，將腳踏板俯視草圖進行拉伸結束值7.5，并且與先前的圓柱實體布爾求和。后對腳踏板周邊倒R3 圓角。在腳踏板上平面繪制孔洞草圖，進行拉伸求差，以方便鞋底泥沙漏出。

1.3.4 牙盤及飛輪：調用出圓柱齒輪建模命令，選擇創建齒輪，齒輪模數選擇3，齒數為48。yz 平面以原點為圓心繪制圓Φ40，四周圓形陣列圓Φ20，拉伸求差得到圓孔。調用出圓柱齒輪建模命令，選擇創建齒輪，齒輪模數3，齒數24。yz 平面繪制圓Φ12 拉伸求差，得到通孔，完成腳踏板設計。

1.4 鏈條設計

鏈條由鏈條體、片體、固定銷三個部分裝配而成，每單各鏈條體由兩個片體聯接而成。前段鏈條的尾部鏈接片體前部，后端鏈條前部鏈接片體尾部，由此首尾依次相連形成整個鏈條。

1.4.1 鏈條體：yz 平面繪制鏈節外輪廓拉伸，從距離草圖平面0.31 拉伸到1.0。在所得拉伸平面繪制圓Φ7.7 拉伸開始值0，結束值0.31。

將上步拉伸的實體通過xz 平面，由yz 平面鏡像，布爾求和將鏡像過去的實體與原來的整體合并成一個實體。在拉伸而成的實體上繪制圓Φ3.9，拉伸求差成通孔。后將通孔由xz 平面鏡像。

1.4.2 片體：xz 平面繪制尺寸草圖（與鏈條體第一步草圖相同）。后拉伸成實體，要求從距離草圖平面1 的位置開始，在距離草圖平面2 的位置結束。最后由yz 平面鏡像。

1.4.3 固定銷：yz 平面繪制圓弧Φ3.9，拉伸尺寸為對稱2。將拉伸實體圓形陣列，其中節距角是根據齒輪分度圓Φ，結合余弦定理，反余弦函數計算鏈條體長度。同法對右邊進行圓形陣列，計算過程與上步相同。

將實體線性陣列在直線上，節距12.6 與鏈條體兩個圓心距相同。后將鏈節對xy 平面鏡像。

1.4.4 鏈條裝配：先以絕對原點載入上面固定銷實體，在用約束載入鏈條體，最后用中心約束2 對2 進行與銷的配對。同法用約束方式載入片體，將獨立的鏈條體首尾相接起來。完成鏈條裝配。

至此自行車的主要部件已設計完成，可實現自行車功能。還可根據需要加裝一些附件，如支撐架、吊架、叉、擋泥板等。

2 自行車動畫裝配

2.1 創建裝配序列

首先將自行車各部件依次組裝形成裝配體文件，然后創建動畫文件，選擇菜單中“裝配”→“序列”的命令（或單擊裝配工具條中的“裝配序列”圖標），系統將出現“裝配序列”工具條，單擊“新建序列”圖標，激活“序列”下拉框。

2.2 拆卸組件

單擊“插入運動”圖標，系統將會彈出“錄制組件運動”工具條，系統提示“選擇要移動的組件”，選中某一部件。此時，“錄制組件運動”工具條中其余的工具圖標被激活，單擊“移動對象”圖標和“拆卸”圖標，選中部件從視圖中消失。

按照上述的方法，依次拆卸其余組件，拆卸順序按照裝配順序的倒序拆卸，即后裝的先拆，先裝的后拆，一直拆卸到只剩一個部件為止。裝配的順序是車架→后輪→腳踏→齒輪鏈條→坐墊→上套筒車把→下套筒→前叉→前輪，拆卸順序正好與之相反，拆卸完成后，單擊“×”按鈕，退出“錄制組件的運動”。此時，“系列回放”工具條顯示幀數默認為64。

2.3 播放動畫

單擊“系列回放”工具欄中的“向后播放”圖標，系統開始播放裝配的順序動畫，幀數從64 變成0。單擊“向前播放”圖標，系統則開始播放拆卸的順序動畫，幀數從0 變成64。

2.4 導出至電影完成序列

單擊“系列回放”工具條中的“導出至電影”，系統將會彈出“錄制電影”對話框，選擇目標文件夾，輸入文件，單擊“OK”。此時生成動畫電影，出現“導出至電影”提示，單擊“確定”按鈕導出至電影（格式為*.avi），完成裝配動畫，以相同方式完成拆卸動畫。在目標文件夾中找到對應視頻文件，使用播放器即可播放。

圖2 自行車裝配爆炸圖